一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路。


背景技术：

2.现有技术中，采用双电源供电的负载开关芯片的内部结构中通常包括一个电荷泵，用于在功率管的输出端生成较高的栅极电压，以实现较高的输出电压供后级负载使用。
3.然而，由于电荷泵的作用，导致功率管的栅极电压在偏置电压的基础上翻倍，从而导致了工作在线性区间内时，功率管的栅源极压差受到后级负载电流和负载电压的影响而处于变化的状态。进一步的，功率管的栅源极电压差又会导致功率管的导通电阻随之变化，从而影响了功率管的输出恒定性。
4.因此，亟需一种新的负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路，采用压控电流源单元和基准电压产生单元生成电荷泵的输入电压，该输入电压抵消了偏置电压和负载电压的影响，从而使电荷泵生成的功率管栅极的开关电压恒定有效。
6.本发明采用如下的技术方案。
7.一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路，其中，电路包括压控电流源单元、基准电压产生单元、电荷泵单元和功率管；压控电流源单元，与基准电压产生单元连接，用于基于功率管的负载电压生成基准电压产生单元的压控电流；基准电压产生单元，分别与压控电流源单元和电荷泵单元连接，用于接收压控电流源单元输入的压控电流，并基于压控电流生成控制电压并将控制电压输入至电荷泵单元中；电荷泵单元，与功率管的栅极连接，用于接收来自基准电压产生单元输出的控制电压，并泵送出控制电压倍数的开关电压至功率管的栅极，以控制功率管源极的输出电压。
8.优选地，压控电流源单元包括第一误差放大器ea1、nmos管mn0、正相输入端分压电阻r1和r2以及负相输入端分压电阻r3；其中，第一误差放大器的器件电源接入偏置电压vbias；第一误差放大器ea1的正相输入端与正相输入端分压电阻r1和r2的一端分别连接，r1的另一端接入负载电压vin，r2的另一端接地；第一误差放大器ea1的负相输入端与nmos管mn0的源极、负相输入端分压电阻r3的一端分别连接，r3的另一端接地；第一误差放大器ea1的输出端与nmos管mn0的栅极连接，所述nmos管mn0的漏极作为压控电流源单元的输出端。
9.优选地，第一误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压与负相输入端电压v
1-＝i
·
r3置为相等，并据此生成压控电流。
10.优选地，当正相输入端分压电阻r1和r2的阻值相等时，压控电流
11.优选地，基准电压产生单元包括第二误差放大器ea2、反相器、pmos管mp0、正相输入端分压电阻r4和r5；其中，第二误差放大器的器件电源、pmos管mp0的源极分别接入偏置电压vbias；第二误差放大器的正相输入端与正相输入端分压电阻r4、r5、压控电流源单元的输出端分别连接，r4的另一端与pmos管mp0的漏极连接，r5的另一端接地；第二误差放大器的负相输入端接入参考电压vref，输出端通过反相器与pmos管mp0的栅极连接；pmos管mp0的漏极、电阻r4的另一端分别作为基准电压产生单元的输出端。
12.优选地，第二误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压优选地，第二误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压与负相输入端电压v
2-＝v
ref
置为相等，并据此生成控制电压。
13.优选地，控制电压为
14.优选地，当第一误差放大器的负相输入端分压电阻r3与第二误差放大器的正相输入端分压电阻r4的阻值相等时，且正相输入端分压电阻r1和r2的阻值相等时，生成的控制电压
15.优选地，电路中电阻阻值的选取方式为等于电荷泵单元的泵送倍数的倒数。
16.优选地，电荷泵单元为二倍电压电荷泵，基于基准电压产生单元输出的控制电压v
pump
，生成开关电压v
gate
＝2
·vpump
。
17.优选地，当功率管工作于线性区间时，功率管的栅源极电压差优选地，当功率管工作于线性区间时，功率管的栅源极电压差栅源极电压差v
gs
的取值恒定。
18.优选地，功率管mnpwr的漏极接入负载电压v
in
，源极生成输出电压v
out
。
19.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路，采用压控电流源单元和基准电压产生单元生成电荷泵的输入电压，该输入电压抵消了偏置电压和负载电压的影响，从而使电荷泵生成的功率管栅极的开关电压恒定有效。本发明方法电路结构简单、成本低、代价小，能够在负载不变的前提下有效保证功率管导通电阻的恒定。
20.本发明的有益效果还包括：
21.1、在设计电路的过程中，需要对功率管的导通阻抗大小进行测试，从而确定电路中其他元件的相关参数。现有技术在对功率管的导通阻抗进行测试的过程中，导通阻抗经常会受到偏置电压、负载电压的影响，而发生较大的变化。因此即使对于单个芯片进行测试都需要测试多个不同电压点下的导通阻抗，测试成本较高。本发明中的电路，由于在负载不变的情况下能够时钟保持导通阻抗的恒定，因此能够有效的减少测试成本。
22.2、在现有技术中，为了确保导通阻抗的相对稳定，需要将后级电路的负载电压vin设置的较为安全，另外也需要对偏置电压vbias的生成方式进行规划，以防止偏置电压、负载电压对功率管造成影响。本发明中，由于分别设置了基准电压产生单元和压控电流源单
元，从而使得偏置电压和负载电压相互抵消，从而防止了上述两种电压对功率管所造成的影响。
附图说明
23.图1为本发明现有技术中一种负载开关电路输出部分电路的结构示意图；
24.图2为本发明中一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路的结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
26.图1为本发明现有技术中一种负载开关电路输出部分电路的结构示意图。如图1所示，一种负载开关电路的输出部分电路，采用偏置电压vbias输入至电荷泵中，由电荷泵生成两倍偏置电压作为功率管的栅极电压，配合负载电压vin，生成输出电压vout。
27.可以理解的是，在上述电路中，当功率管工作在线性区间时，功率管的栅源极电压差vgs等于其栅极电压和漏极电压之差，即有，vgs＝2*vbias-vin。在这一电路中，功率管的栅源极电压差受到偏置电压和负载电压的影响，会发生较大的变化。然而，通常，在线性区间内，功率管的导通阻抗与功率管的过驱动电压成正比，从而导致了在vgs变化的过程中，功率管的导通阻抗也将发生较大幅度的变化。这一变化将严重影响芯片的测试与设计，以及芯片应用过程中输出电压的准确性。
28.因此，本发明提出了一种新的设计，用于解决上述问题。
29.图2为本发明中一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路的电路结构示意图。如图2所示，本发明中一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路，其中，电路包括压控电流源单元、基准电压产生单元、电荷泵单元和功率管；压控电流源单元，与基准电压产生单元连接，用于基于功率管的负载电压生成基准电压产生单元的压控电流；基准电压产生单元，分别与压控电流源单元和所述电荷泵单元连接，用于接收压控电流源单元输入的压控电流，并基于压控电流生成控制电压并将控制电压输入至电荷泵单元中；电荷泵单元，与功率管的栅极连接，用于接收来自基准电压产生单元输出的控制电压，并泵送出控制电压倍数的开关电压至功率管的栅极，以控制功率管源极的输出电压。
30.可以理解的是，压控电流源单元将生成的压控电流输入至基准电压产生单元中，基准电压产生单元采用压控电流源单元进行计算，并获得具有一定限流程度的控制电压，该控制电压经过2倍放大的电荷泵后，生成的开关电压中，刚好具备负载电压vin这一分量，该分量在输入至功率管后，与功率管漏极的负载电压实现了抵消，从而生成了只与参考电压vref、分压电阻r4和r5的阻值具有相关性的功率管的栅源极电压差。通过这种方式，本发明确保了功率管导通阻抗的恒定性。
31.优选地，压控电流源单元包括第一误差放大器ea1、nmos管mn0、正相输入端分压电阻r1和r2以及负相输入端分压电阻r3；其中，第一误差放大器的器件电源接入偏置电压vbias；第一误差放大器ea1的正相输入端与正相输入端分压电阻r1和r2的一端分别连接，r1的另一端接入负载电压vin，r2的另一端接地；第一误差放大器ea1的负相输入端与nmos管mn0的源极、负相输入端分压电阻r3的一端分别连接，r2的另一端接地；第一误差放大器
ea1的输出端与nmos管mn0的栅极连接，nmos管mn0的漏极作为压控电流源单元的输出端。
32.本发明中，误差放大器的正相输入端接入负载电压的分压，负相输入端通过nmos管mn0实现与其输出端的反馈导通。通过这种方式，误差放大器ea1在导通至恒定状态后，能够正相输入端和负相输入端的电压相等，从而保证了误差放大器的恒定。
33.优选地，第一误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压与负相输入端电压v
1-＝i
·
r3置为相等，并据此生成压控电流。
34.可以理解的是，本发明中，当正相输入端和负相输入端的电压相等的时候，可以根据正负相输入端的电压联列等式，对等式进行换算，可以得到电流i的取值。可以理解的是，本发明中的电流i刚好是本发明中压控电流源单元的输出电流，也就是前文中所述的压控电流。
35.本发明中为了实现压控电流对于功率管漏极电压，也就是负载电压vin的抵消，需要保证电路中多个分压电阻实现的分压系数与电荷泵实现的泵送系数的乘积刚好等于1。也就是说，根据电荷泵的泵送系数，可以确定电路中各个电阻阻值的比例关系，这部分内容将在后文中具体描述。
36.优选地，当正相输入端分压电阻r1和r2的阻值相等时，压控电流
37.由于本发明中，第一误差放大器进入稳定工作状态后，其正相输入端的电压与负相输入端电压将被置为相等，也就是对这一公式进行推导，可以得到压控电流i的取值为因此当分压电阻r1和r2的阻值相等时，代入公式中可以得到压控电流优选地，基准电压产生单元包括第二误差放大器ea2、反相器、pmos管mp0、正相输入端分压电阻r4和r5；其中，第二误差放大器的器件电源接入偏置电压vbias，pmos管mp0的源极接入偏置电压vbias；第二误差放大器的正相输入端与正相输入端分压电阻r4、r5、压控电流源单元的输出端分别连接，r4的另一端与pmos管mp0的漏极连接，r5的另一端接地；第二误差放大器的负相输入端接入参考电压vref，输出端通过反相器与pmos管mp0的栅极连接；pmos管mp0的漏极、电阻r4的另一端分别作为基准电压产生单元的输出端。
38.可以理解的是，本发明中，通过设置了第二误差放大器，同时获取参考电压vref和压控电流i，从而生成控制电压。与第一误差放大器的作用类似，本发明中的第二误差放大器也能够在开启一端时间后，保持恒定状态，在恒定状态中，误差放大器ea2的正、负相输入端电压相等。
39.优选地，第二误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压优选地，第二误差放大器，用于基于输出反馈将正相输入端电压与负相输入端电压v
2-＝v
ref
置为相等，并据此生成控制电压。
40.可以理解的是，第二误差放大器的负相输入端接入了参考电压vref，而其正相输入端的电压通过pmos管mp0与输出端连接，并实现反馈。在本发明的这种过程中，可以将r4和r5，以及压控电流源单元的输出端分别作为三个支路，计算出压控电流源单元的输出端接入的基准电压产生单元上的点的电压，也就是第二误差放大器ea2的正相输入端的电压。
41.具体来说，该点的电压值应当等于控制电压与电阻r4两端的电压的差。而经过电阻r1的电流则是电流i与流经电阻r5的电流之和。根据这一原理，可以得到，该点的电压值，应当等于并且，根据该误差放大器的正相和负相电压相等，可以得到等式抵消公式中中的v
2+
，则可以推导得出v
pump
的取值了。
42.优选地，控制电压为
43.将上述公式进行化简，并将上文中计算得到的压控电流的计算公式代入化简后的公式，可以得到控制电压的取值。可见，控制电压的取值与电路中各个电阻的取值、参考电压和输入电压的取值相关。与其他参数均无关。也就是说，当确定了电路的参考电压v
ref
和功率管的输入电压v
in
后，只需要调整各个电阻的取值，或者是各个电阻之间的比例关系，就可以获得所需的控制电压了。
44.优选地，当第一误差放大器的负相输入端分压电阻r3与第二误差放大器的正相输入端分压电阻r4的阻值相等时，且正相输入端分压电阻r1和r2的阻值相等时，生成的控制电压
45.可以理解的是，本发明中，可以设置r3和r4的电阻值相等，r1和r2的电阻值相等，由此，控制电压的取值可以进一步的确定下来。
46.优选地，电路中电阻阻值的选取方式为等于电荷泵单元的泵送倍数的倒数。
47.为了确保本发明中输出电压的取值是可以与负载输入电压v
in
完全无关的，可以基于电荷泵的放大倍数设置电阻的最终选取方式。例如当电荷泵的系数是2时，的取值就可以为1/2，这样生成的输出电压中负载电压v
in
的分量就能够被完全抵消了。
48.优选地，电荷泵单元为二倍电荷泵，基于基准电压产生单元输出的控制电压v
pump
，生成开关电压v
gate
＝2*v
pump
。
49.本发明中，为了简化电路，可以将电荷泵设置为现有技术中最常用，也最简单的2倍电荷泵。优选地，当功率管工作于线性区间时，功率管的栅源极电压差栅源极电压差v
gs
的取值恒定。
50.可以理解的是，本发明中，功率管工作在线性区间内的时候，功率管的栅源极电压差不再受到负载电压vin的影响，只是根据参考电压vref的变化而变化。而由于参考电压vref的取值，在电路工作的过程中，能够保持在相对恒定的状态下，因此，栅源极电压差vgs的取值基本不会发生变化。
51.优选地，功率管mnpwr的漏极接入负载电压v
in
，源极生成输出电压v
out
。
52.与现有技术中的功率管类似，根据功率管栅极电压的控制，功率管的源极输出电
压，以供给后级电路使用。
53.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种负载开关中保持功率管导通阻抗恒定的电路，采用压控电流源单元和基准电压产生单元生成电荷泵的输入电压，该输入电压抵消了偏置电压和负载电压的影响，从而使电荷泵生成的功率管栅极的开关电压恒定有效。本发明方法电路结构简单、成本低、代价小，能够在负载不变的前提下有效保证功率管导通电阻的恒定。
54.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。